浅析煤矿煤矸石山生态环境恢复治理技术

张拥军， 常 鑫， 杨金花

(1.山西省阳泉固庄煤矿，山西 阳泉 045000；2.山西凯尔环保科技有限责任公司，山西 太原 030000)

引 言

煤炭是我国的主要资源，煤炭资源的开发对我国经济建设和社会发展起到了推动性和支撑性的作用[1]。然而，随着煤炭采掘工艺及技术的发展，与之伴生的各种生态环境问题未及时发现并彻底解决，仍继续采用高强度、大规模、落后的工艺进行开采活动，必将引发越来越多新的地质环境问题，区域性生态破坏和地下水环境污染也将越为严重[2]。矿山地质环境问题复杂多样，大致包括土地占用、地表下沉、水土流失、地质沙漠化和生态破坏等问题[3]。其中，煤矸石山即是造成上述环境问题的重要方面之一[4]。

煤矸石是煤矿开采洗选加工过程中产生的固体废物，属于一种含碳率低、热值利用价值低、质地坚硬的黑灰色岩石，从产生环节可分为井下掘进矸石和洗选过程中的分选矸石。煤矸石山是人为赢利作用造成的一种极度退化的生态系统，其原有植被因生态环境的剧变而减少、退化乃至消失[5]。目前，我国在煤矸石利用方面，主要用于建筑材料的原材料，虽然取得很大进展，但是其综合利用率仍不足30%[6]。大量煤矸石堆存在矿区，不仅占用土地，且容易自燃，对矿山正常生产和周围居民生产、生活构成了极大的威胁[7]。因此，开展煤矸石山生态环境修复治理，加强矿区的生态保护，己成为目前亟待解决的重点、难点问题之一[8]。

1 治理恢复区概况

山西省阳泉固庄煤矿井田规划面积14.006 5 km2，于1965年开工建设，1969年简易投产，设计生产能力45万t/a。1982年，固庄煤矿正式建矿，1984年进行矿井改(扩)建，设计生产能力为150万t/a，服务年限为60 a，并同步建有一座150万t/a的选煤厂，是一座集机械化采煤、行政办公、生活福利等为一体的现代化中型煤矿。

该煤矿矸石场位于工业广场西北1 500 m黄土冲沟区，矸石沟为不规则状，库容约为700万t，分3个区，其中,Ⅰ区占地面积约46 756 m2，库容量为180万t，现已堆存煤矸石约180余万t，堆存高度为40 m。Ⅱ区面积约9 814 m2，库容量为40万t，现已堆存煤矸石约40余万t，堆存高度为40 m。Ⅰ区、Ⅱ区因场地堆存条件有限已停止使用，部分地区存在自燃现象。目前正在使用的是Ⅲ区，面积约84 511 m2，库容量为450万t，现北部和中部已堆存煤矸石约280余万t，堆存高度为35 m。根据固庄矿可采资源储量，截止目前，固庄煤矿可采年限约为3 a，Ⅲ区完全可以容纳闭矿前所有矸石，不需要再设置新的矸石场。

2 煤矸石山主要地质环境问题

固庄煤矿煤矸石沿沟谷堆放，生产年限久，现已堆积如山(见第186页图1)。目前，该矿区煤矸石山存在的主要环境问题如下。

1) Ⅰ区、Ⅱ区矸石山煤矸石未经压实，孔隙度大，利于空气流通，使堆场内部空气含氧增高，加之，煤矸石中含有硫化铁，遇水在好氧细菌的作用下容易氧化生成H2SO4、SO2、SO3等酸性介质，使可燃物氧化升温，导致煤矸石自燃现象极为常见，地表随处可见过火后呈现出的红色、白色、黄色等杂色产物；矸石场Ⅰ区、Ⅱ区建设时间比较久，建成初期拦矸坝高度仅设3 m，且闭库时间较长，加之后期边坡维护不合理，长期雨水冲刷，导致煤矸石山边坡部分垮塌；Ⅰ区、Ⅱ区矸石山覆土厚度不够，现有覆土土质不符合种植要求，导致区域内植被大量死亡。

2) Ⅲ区矸石山煤矸石风化、自燃现象较为严重，松散体堆放时间较为短暂，仍属于非稳定状态，若遇自然震动或人为震动，极易发生自然坍塌。

图1 治理区煤矸石堆积现状

煤矸石若不进行合理处置，随意堆放，雨水的冲刷造成煤矸石中可溶性的有害成分伴随径流、淋溶和大气飘尘，渗入地下，破坏周围土壤、地下水水质和大气环境质量，主要表现为[6]：矸石不科学的随意堆存，占用大面积的堆置场地，过量占用土地，从而导致浪费；大量的煤矸石裸露堆积压占土地，严重破坏了堆置场原有生态系统和地貌景观；煤矸石长期处在氧化、风蚀、溶滤过程中，极易风化分解以至自燃，且煤矸石中所含的黄铁矿(主要成分为二硫化铁)燃烧时散发出的难闻气味和有害烟雾严重危害人体健康；煤矸石在堆放过程中，经雨淋渗透会对土壤和水体造成一定的污染；矸石在堆置过程中未采用科学的分层堆存，分层压实，黏土压实填充工序，以致矸石堆的密实度较差，再加上降雨、刮风等强对流天气的影响，泥石流、滑坡、崩塌等现象发生频率增加。

3 煤矸石山生态环境恢复治理技术

3.1 治理方案

针对目前固庄煤矿煤矸石山存在的问题，本次治理方案包括：矸石山灭火工程、拦挡工程、排水工程、边坡防治工程、覆土工程、土地复垦工程、绿化营林和休闲设施建设工程等内容[10]。

3.2 技术要求

1) 矸石山灭火工程

主要依靠矸石分层碾压，黄土覆盖封闭，在此基础上以浅层注浆灭火降温作为辅助补救措施。

在矸石山坡遇有明火或温度局部较高，需先采用黄土分层碾压覆盖，分层厚度控制在0.2 m～0.3 m，压实系数≥0.9。黄土覆盖层厚度1.5 m～2.0 m，然后进行浅层注浆灭火。注浆孔为钻机成孔，深度为2.0 m～5.0 m，间距及排距3.0 m(见图2)。注浆材料采用黄土与熟石灰过筛配制，配比为1∶1，水与上述混合材料比为0.7∶1～0.8∶1，注浆方式采用钢管压力灌注。灌浆钻孔3 800个。在无法进行钻机成孔的斜坡面，采用人工挖坑(槽)或机械成槽灌浆方式，坑(槽)深度0.5 m～1.0 m，直接对坑(槽)进行注浆灭火降温，然后进行坡面碾压黄土覆盖。

图2 排矸场灭火措施设计图

2) 拦挡工程

在矸石山所在沟的沟尾外沿设置拦矸坝，坝体采用浆砌石，高度和厚度根据矸石山的堆存量进行核算，防止因暴雨冲刷造成矸石坡面流失，对下游地表水、村庄、农田等保护目标产生影响。通过控制堆矸体边坡坡度，保持边坡稳定，防止发生局部垮塌。

本矸石场拦矸坝采用重力式浆砌石拦矸坝，坝体采用M7.5浆砌石结构设计；断面尺寸为：坝顶宽1 m，边坡为1∶0.5，拦矸坝以上边坡以1∶1.5进行削坡防护。其中，矸石场Ⅰ区北侧设拦矸坝总长26 m，矸石场Ⅲ区东侧建设拦矸坝总长524 m。

3) 排水工程

排水系统包括马道排水、坡面排水，在浆砌石挡墙护肩部位修建混凝土拦水坎和排水沟，边坡马道内侧修建排水沟，使地表汇水泻入排水沟，引入周围农田及河中，以防止雨季雨水排泄不畅，流入矸石山。

Ⅰ区、Ⅱ区矸石山坡顶截水沟长度454 m，新建路边排水沟450 m，新建马道排水沟1 958 m。Ⅲ区矸石山新建坡顶截水沟长度553 m，新建马道排水沟1 503 m(第187页图3)。为防止雨水冲刷下游，在截水沟出口处设置消力池，消力池采用M7.5浆砌块石侧墙砌筑，容积为大于30 m3。

图3 Ⅲ区排矸场治理纵剖面图

4) 边坡防治工程

传统的矸石堆填工艺采用由上到下，自然倾倒工艺，形成的边坡坡度陡峭，无法采取覆土夯实。因此，治理工程必须进行削坡开级。

将Ⅰ区北侧、Ⅲ区东侧矸石山坡面改造成梯田形状，每5m高差设置一级护坡，设计坡比为1∶2，使边坡处于堆积稳定角度，各级之间设置2 m宽的马道平台，采用浆砌石拱型护坡处理方法，坡面覆土，种草绿化，相邻级之间应由多条上下台阶通道相连接，便于人们散步休闲，马道沿等高线方向布置。

5) 覆土工程

矸石山坡面整平至设计要求后，在坡面上覆0.6 m厚的生土层并分层夯实，各级平台分别覆1.5 m厚的熟土层，机械或人工夯实，并用道路及围堰进行分割。

6) 土地复垦工程

固庄煤矿煤矸石山现有覆土土质不符合种植要求，所以外购优质土壤覆盖后种植。

7) 绿化营林工程

在矸石山边坡和场顶选用乔木、灌木及草类进行生态带生物绿化建设，稳定边坡、美化环境。乔木选侧柏、灌木为连翘，草类选择高羊茅等，树木栽种采用客土坑栽，客土采用熟土及肥料按比例混合，最终，矸石处置场形成乔、灌、草结合的生态系统[10]，如图4所示。

图4 厂区绿化效果图

4 结论及建议

矸石山地质环境是受堆存方式、矸石堆存量以及堆存地质环境等多方面因素制约的复杂系统，具有高度叠加性是矸石山环境效应的突出特点。不能依靠单一的工程治理措施彻底解决复杂的系统环境问题，故由若干工程措施组合而成的煤矸石山环境治理模式应运而生。本文针对阳泉固庄煤矿煤矸石山存在的问题和现状，因地制宜，采取矸石分层碾压，黄土覆盖、封闭灭火工程；矸石山削坡，浆砌石栏杆坝整治场地；截排水沟、消力池的设置；复垦绿化等技术手段来进行治理恢复。为了更好地保障治理成果，特提出以下几点建议：

1) 矿方制定严格的奖惩管理办法，责任到人，专人专职；采取先进的监控技术对治理区内工程进行实时监控，一旦发生破坏现象，及时上报，采取修复措施，从而有效发挥治理效益；

2) 建议煤矿及煤矸石洗选企业对治理区进行“无死角”的巡检，针对性指定应急预案，重点关注地质环境的防治措施的落实，以及灾害隐患防治措施的有效性，发现问题及时采取措施，举一反三，从细节处预防地质灾害，落实好恢复煤矸石山生态环境的工作；

3) 矿山还应建立健全地质环境问题监测体系，在进行煤矸石山生态环境保护与治理进程中，不断积累先进经验和收集同行业的设计资料，为现有的煤矿矿山环境综合治理和今后矸石山的设计和矸石的堆存提供科学依据。